用于近紅外光譜儀的平場全息凹面光柵的模擬與設計

摘　要　針對近紅外光譜分析屬于微弱信號與多元信息處理的特點, 基于全息凹面光柵理論, 采用光學設
計軟件CODE V , 從初始結構出發, 利用軟件強大的全局優化功能, 設計出一種用于近紅外光譜儀的平場全息凹面光柵, 成功地減小了像差, 解決了寬光譜、窄譜面展寬的矛盾, 并充分利用了光譜信息, 是一種高效率的分光光學系統結構。利用CODE V 軟件, 不需要求解復雜的高級像差方程, 能對結果進行迅速評價, 并可在設計中同時兼顧平場和提高分辨率的要求, 極大地提高了工作效率。最后, 給出了實例, 設計出的全息凹面光柵工作波長范圍為900～1700 nm、直徑á = 25 mm、F/ # = 115 , 對設計結果分析表明: 在寬度為50μm 縫光源再現情況下, 理論分辨率優于613 nm。

    近紅外(Near Inf rared : NIR) 光譜是指波長在780～2526 nm 范圍內的電磁波[1 ] 。通過對特定物質的NIR 光譜分析可定量或定性的確定其組份[2 ] , 具有分析樣品用量少、分析速度快和結果穩定性好等優點[3 ] , 廣泛應用于農業、生物學、石化、食品、醫藥、紡織等領域[4 ] 。近紅外光譜分析主要利用分子的倍頻與合頻吸收, 屬于微弱信號與多元信息的處理[5 ] , 對復雜樣品進行近紅外光譜分析就是從復雜、重疊和變動的光譜中提取微弱信息, 難度很大[6 ] 。因此, 為了充分利用光譜信息, 尋求一種高效率的分光光學系統結構成為有效解決此問題的關鍵之一。傳統的車爾尼—特納(CzernyTurner) 正交結構[7 ]分光光學系統光路復雜, 通常采用3～5個反射面, 光能損失大, 整個系統效率較低。而在采用凹面光柵的光譜儀器中, 凹面光柵兼有色散和成像功能, 可構成只有一個光學作用面的光譜儀器[8 ] 。利用全息記錄技術獲得的變間距曲線槽凹面光柵, 具有校正像差的能力, 而且還有高效率、低雜散光、無鬼線、高信噪比、小F 數的特點。另外, 全息凹面光柵可以在一定波譜范圍內成消像差的平場譜面, 又隨著CCD 等陣列探測器技術在近紅外波段的成熟, 結合全息凹面光柵和CCD 技術在光譜測量中應用已成為可能。本文將介紹采用CODE V 光學軟件設計用于近紅外波段的平場全息凹面光柵, 用較高的效率設計出具有高成像質量的寬光譜平場光譜儀。